Politechnika Białostocka Wydział Budownictwa i Inżynierii Środowiska INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH Temat ćwiczenia: Badanie udarności metali Numer ćwiczenia: 7 Laboratorium z przedmiotu: wytrzymałość materiałów II Opracowanie: dr inż. Jarosław Malesza Katedra Mechaniki Konstrukcji 2011
1 Wprowadzenie Badanie udarności ma na celu odzwierciedlenie pracy konstrukcji stalowej w warunkach krytycznych obciążeń dynamicznych. Próby te służą sprawdzeniu, czy nagła zmiana obciążenia nie spowoduje wprowadzenia materiału w stan kruchości. Ponadto próby udarowe mogą także być prowadzone dla kontroli jakości obróbki cieplnej i wykrywania wad materiałowych. Badanie udarności, zgodnie z normą PN EN 10045-1:1994, polega na złamaniu jednym uderzeniem spadającego młota wahadłowego odpowiedniej próbki. Miarą udarności jest energia zużyta na zniszczenie próbki. Rys. 1. Schemat zamocowania próbki do badań udarności 1.1 Próbki do badań Próba udarności powinna być wykonywana na próbkach prostopadłościennych o wymiarach 55 10 10mm z wyciętym, w środku jednej z bocznych ścian, karbem. Nacięcie karbu na próbce wykonuje się w celu wywołania spiętrzenia naprężeń powodującego pęknięcie próbki wykonanej z materiału plastycznego. W przypadku braku karbu próbka uległaby tylko zgięciu, czego nie można zaliczyć do oceny udarności. Norma PN EN 10045-1 rozróżnia trzy rodzaje karbów: płytki w kształcie litery U (2mm) głęboki w kształcie litery U (5mm) w kształcie litery V (2mm) Wyniki prób udarności są porównywalne tylko dla próbek o jednakowym kształcie, rodzaju karbu i wymiarach. Energię zniszczenia próbki oznacza się za pomocą symboli: KU dla próbek z karbem w kształcie litery U i KV z karbem o kształcie V. Rys. 2. Próbki do badań udarności z karbem płytkim w kształcie litery U
Rys. 3. Próbki do badań udarności z karbem głębokim w kształcie litery U Rys. 4. Próbki do badań udarności z karbem w kształcie litery V 1.2 Urządzenie do badań Próby udarności wykonuje się na młotach wahadłowych typu Charpy ego o standardowej energii początkowej równej 300J. Rys. 5. Wahadłowy młot Charpy'ego do badań udarności metali Urządzenie składa się z bijaka oraz obudowy zamocowanej na trwałe na fundamencie. Na osi obrotu na sztywno zamocowano tarczę i wskazówkę. Tarcza wyskalowana jest w stopniach do pomiaru kątów i w jednostkach pracy do pomiaru energii. Wskazówka
automatycznie zatrzymuje się w najwyższym punkcie. W stanie spoczynku bijak jest podniesiony i zablokowany na wysokość h 1 i tworzy z pionem kąt α 1 = 160 0. Po zwolnieniu bijaka w najniższym punkcie uderza w próbkę leżącą na stoliku. Niszcząc ją rozprasza energię o wartości L u. Pozostała energia zamienia się w energię potencjalną i bijak wznosi się na wysokość h 2 tworząc z pionem kąt α 2. Powrotne wahnięcie jest zatrzymywane przez hamulec. 2 Cel ćwiczenia laboratoryjnego Celem ćwiczenia jest sprawdzenie odporności stalowej próbki na obciążenie impulsowe. 3 Przebieg ćwiczenia 3.1 Czynności przed badaniem Sprawdzić wymiary próbki, Sprawdzić czy młot nie ma dużych oporów. W tym celu należy zwolnić bijak z położenia początkowego i wykonać jedno wahnięcie (bez próbki) oraz wyznaczyć procentowe straty tarcia, Położyć próbkę na podporach tak, aby płaszczyzna symetrii karbu leżała w płaszczyźnie ruchu młota, próbka przylegała do oporów, a karb znajdował się po przeciwnej stronie miejsca przyłożenia siły uderzenia, Podnieść wahadło do położenia początkowego, Zwolnić bijak specjalną zapadką. 3.2 Czynności po wykonaniu próby po wykonaniu jednego wahnięcia zatrzymać bijak za pomocą hamulca, odczytać na podziałce młota wartość pracy zużytej na złamanie próbki i kąt położenia wahadła α 2. 4 Opracowanie wyników badań 4.1 Ocena pęknięcia próbki Jeżeli podczas badania próbka nie została złamana, a jedynie zgięła się i przeszła przez podpory, uzyskana energia nie może być traktowana jak wynik udarności. W takim przypadku w protokole badania należy podać energię, przy której próbka nie została złamana. Na podstawie obserwacji złomów po przeprowadzonej próbie zginania udarowego uzyskujemy informacje o własnościach mechanicznych badanego materiału. Rozróżniamy cztery charakterystyczne rodzaje złomów: złom poślizgowy oznacza, że próbka została zgięta, pęknięcie nastąpiło po
przekroczeniu granicy plastyczności tj. przy znacznym odkształceniu trwałym, złom kruchy oznacza, że próbka pękła nie wykazując widocznego odkształcenia plastycznego, złom mieszany wykazuje cechy złomu poślizgowego i kruchego, na części przełomu (najczęściej zewnętrznej) występują odkształcenia trwałe, a na pozostałej części występuje przełom kruchy. Wówczas określa się procentowy udział przełomu kruchego w przekroju, złom specyficzny z rozwarstwieniem wskazuje na duży stopień anizotropowości materiału spowodowany obróbką plastyczną lub wskazujący na obecność jednego lub więcej pasm zanieczyszczeń. 4.2 Wyniki badania - na podstawie bezpośredniego odczytu energii Energię K zużytą na złamanie próbki możemy odczytać wprost z urządzenia. Wynik próby udarności oblicza się wówczas ze wzroru: KC= K S 0 gdzie: K - jest energią zużytą na złamanie próbki nazywaną też pracą łamania, S 0 - powierzchnią przekroju próbki w miejscu karbu (pod karbem) 4.3 Wyniki badania - na podstawie odczytu kątów położenia wahadła Ustalenie energii zużytej na złamanie próbki może odbywać na podstawie kątów położenia wahadła przed i po uderzeniu. Wynik próby udarności oblicza się korzystając z zasady zachowania energii, ze wzoru: gdzie: m - jest masą bijaka, K = m g (h 1 h 2 ) h 1 - wysokość uniesienia bijaka przed uderzeniem, której odpowiada kąt uniesienia α 1 = 160 0 h 2 - wysokość uniesienia bijaka po uderzeniu, której odpowiada kąt α 2 odczytany na skali urządzenia, 5 Wymagania BHP Urządzenie do badania udarności jest obsługiwane wyłącznie przez pracowników laboratorium. Studenci sprawdzają wymiary próbki do badań, odczytują wskazania urządzenia.
Politechnika Białostocka Wydział Budownictwa i Inżynierii Środowiska SPRAWOZDANIE Z ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH Z WYTRZYMAŁOŚCI MATERIAŁÓW Temat ćwiczenia: Badanie udarności metali Numer ćwiczenia: 7 imię i nazwisko studenta:... rodzaj studiów:... kierunek:... specjalność:... semestr:... grupa:... prowadzący ćwiczenia: dr inż. Jarosław Malesza... (data wykonania ćwiczenia)
1. Wymiary próbki - długość: L = - wymiary przekroju poprzecznego: b x h = - głębokość karbu: d = - pole przekroju poprzecznego w miejscu karbu: S 0 = b x (h-d) = [cm 2 ] 2. Udarność na podstawie odczytu energii zużytej na zniszczenie próbki - energia zużyta na złamanie próbki: K = [J] - udarność próbki: KC= K S 0 = [J/cm 2 ] 3. Udarność na podstawie pomiaru kątów położenia wahadła - długość bijaka: L = - masa bijaka: m = [kg] - początkowy kąt uniesienia bijaka: 1 = [ 0 ] - kąt uniesienia bijaka po złamaniu próbki: 2 = [ 0 ]
- początkowa wysokość uniesienia bijaka: h 1 = - wysokość uniesienia bijaka po złamaniu próbki: h 2 = - energia zużyta na złamanie próbki: K =m g h 1 h 2 = [J] - udarność próbki: KC= K S 0 = [J/cm 2 ]